Сравнительный анализ непрерывных и прерывистых методов газоподъемности

Газоподъемник остаётся одним из наиболее широко применяемых в нефтегазовой отрасли искусственных методов подъема, применяемых для поддержания или увеличения добычи из резервуаров, где природная энергия пласта недостаточна. Методика предполагает впрыскивание сжатого газа в производственную трубку для уменьшения плотности текучей колонны, что позволяет углеводородам легче вытекать на поверхность. Существуют два принципиальных варианта: непрерывный газоподъём и прерывистый газоподъём. При этом оба имеют один и тот же фундаментальный принцип, они существенно различаются по стратегии впрыска, операционной динамике и пригодности для разных условий пласта. Выбор подходящего метода требует тщательного понимания поведения пласта, целей добычи и экономических компромиссов. В данной статье дается комплексный сравнительный анализ непрерывного и прерывистого газоподъёмника, анализ их механизмов, преимуществ, ограничений и сценариев применения.

Основы технологии газовой подъёмной силы

Системы газоподъемников работают за счет введения газа высокого давления в производственную нить в одной или нескольких точках впрыска. Впрыскиваемый газ соединяется с образующимися жидкостями, уменьшая плотность смеси и опуская гидростатическую головку в трубке. Это снижение давления потока в донных скважинах позволяет жидкостям резервуара легче проникать в скважину и подниматься на поверхность. Газ может поступать из самого производственного потока после отделения, из выделенного газоснабжения или из системы сжатия.

Принцип снижения плотности

Основная физика газоподъемника опирается на то, что газ имеет гораздо меньшую плотность, чем жидкость (нефть и вода). Путем смешивания газа в жидкую колонну средняя плотность жидкой смеси уменьшается пропорционально фракции объема газа. Для заданной глубины и поверхностного давления более легкая колонна требует меньшего давления на дне для смещения, тем самым уменьшая обратное давление на резервуар и увеличивая просадку.

Ключевые компоненты системы газоподъемной системы

Типичная установка газового подъемника включает в себя несколько основных компонентов: устройство поверхностного сжатия, способное доставлять газ при требуемом давлении и объеме; линия потока газового впрыска; клапаны забойного газового подъема, установленные в мандралах вдоль трубы трубы; и упаковщик или кольцевое уплотнение для изоляции зоны впрыска газа. Клапаны газового подъема являются критическими элементами управления, предназначенными для открытия или закрытия при конкретных дифференциальных давлениях, что позволяет газу проникать в трубу на заданных глубинах. Количество и расстояние между клапанами зависят от вертикальной глубины скважины, градиента жидкости и желаемого профиля давления впрыска.

Непрерывный подъём газа: механизм и эксплуатация

В непрерывном газовом подъеме газ высокого давления вводится в производственную трубу с постоянным расходом через фиксированный или регулируемый клапан отверстия. Газ обычно вводится в самый глубокий из возможных рабочих клапанов, чтобы минимизировать гидростатическую головку и максимизировать просадку. Скорость впрыска остается стабильной, и скважина со временем образует относительно стабильный расход.

Как работает непрерывный газовый лифт

Газ непрерывно впрыскивается по аннулусу обсадной трубы и поступает в трубу через выбранный газоподъемный клапан. Клапан остается открытым при нормальной работе, поддерживая непрерывную подачу газа в текучий столб. Впрыскиваемый газ снижает плотность текучей смеси, а давление в резервуаре заставляет многофазную жидкость подниматься вверх. Система работает в режиме устойчивого состояния, когда скорость впрыска газа, приток резервуара и потери давления в трубах достигают равновесия. Давление в скважине и скорость потока остаются почти постоянными, если условия резервуара не изменятся значительно.

Преимущества непрерывного газового лифта

• Стабильная скорость производства: Непрерывный впрыск обеспечивает устойчивый поток, упрощая проектирование оборудования для разделения и обработки.
• Гладкие операции: Отсутствие скачков давления снижает износ скважины и поверхностного оборудования и минимизирует риск заторможения в проточной линии.
• Простой контроль: Меньшее количество движущихся частей и менее сложное поведение клапанов облегчают работу и устранение неполадок по сравнению с прерывистыми системами.
• Пригодность для водохранилищ высокого давления: Колодцы с относительно высоким давлением в резервуаре и хорошей производительностью хорошо реагируют на непрерывный подъем газа, поскольку давление впрыска может быть оптимизировано для поддержания оптимального просадки.
• Прогнозируемая производительность: Условия устойчивого потока позволяют надежно моделировать с использованием узлового анализа и инструментов моделирования с постоянным состоянием.

Ограничения и недостатки

• Высокое потребление газа: Непрерывный впрыск требует постоянного поступления сжатого газа, что приводит к повышению затрат на энергию и сжатие, особенно в отдаленных или морских местах.
• Ограниченная гибкость: Скорость впрыска фиксируется в одной рабочей точке; изменения давления в резервуаре или разреза воды могут потребовать регулировки клапана или установки перепроектированных клапанов.
• Спадающие скважины: По мере снижения давления в резервуаре, имеющееся давление впрыска может стать недостаточным для поддержания непрерывного потока, и клапан может потребоваться переместить на более низкую глубину, снижая эффективность.
• Температура и гидрогенные проблемы: Непрерывный впрыск газа с высокой скоростью может снизить температуру производимых жидкостей, увеличивая риск осаждения воска или образования гидрата в холодных средах.

Типичные применения

Непрерывный подъем газа является предпочтительным методом для скважин с умеренным и высоким давлением в донных скважинах, относительно низким ГОР (отношение газа к нефти) и постоянными жидкостными свойствами. Он широко используется на морских платформах, где устойчивое производство имеет решающее значение для перерабатывающих мощностей, на зрелых месторождениях со стабильной поддержкой наводнений и в скважинах, где темпы добычи превышают несколько сотен баррелей жидкости в день. Многие крупные нефтедобывающие месторождения на Ближнем Востоке, в Северном море и Мексиканском заливе полагаются на непрерывный подъем газа в качестве основного метода искусственного подъема.

Периодическая подвозка газа: механизм и эксплуатация

Периодический подъем газа, также известный как циклический подъем газа, работает путем впрыскивания газа дискретными импульсами, а не непрерывно. В течение периода (фаза накопления жидкости) скважине разрешается накапливать жидкость в трубке, а затем быстро впрыскивается газовый слизень высокого давления, чтобы вытеснить накопленную жидкость на поверхность (фаза смещения). Цикл повторяется на основе скорости накопления жидкости и имеющегося объема газа.

Как работает прерывистый газовый лифт

Система перемежающегося подъема газа включает в себя программируемые на поверхности логические контроллеры (ПЛК) или таймеры, которые открывают и закрывают главный впрыскной клапан - часто клапан с механическим управлением на поверхности - для пропускания импульса газа в аннулус. Отверстие, серия клапанов газового подъема (часто клапан открытия дифференциального типа и пилотный клапан) контролируют давление и время впрыска газа. Во время фазы накопления впрыскной клапан закрыт, и резервуарные жидкости входят в трубку под естественным потоком. Уровень жидкости в трубке повышается. Когда высота жидкого столба достигает заданного значения (часто ощущается преобразователем давления или таймером), поверхностный клапан открывается, и газ впрыскивается с высокой скоростью. Газ расширяется и толкает жидкий слизь вверх. После того, как слизь достигает поверхности, впрыск останавливается, и цикл повторяется.

Преимущества периодических газовых лифтов

• Сокращение потребления газа: Поскольку газ впрыскивается только периодически, общий объем газа, потребляемого на баррель добываемой нефти, часто ниже, чем в непрерывном подъеме, особенно для скважин с низкой производительностью.
• Гибкость в падающих скважинах: Перемежающийся подъемник может эффективно обрабатывать скважины с низким давлением резервуара, где непрерывный впрыск не обеспечит достаточного подъема. Система может быть отрегулирована в соответствии с производительностью притока скважины.
• Способность поднимать поступающую воду: В скважинах с высоким водоотводом прерывистый подъем может накапливаться и поднимать водяные слизни без преждевременного прорыва газа, улучшая удаление жидкости.
• Низкие требования к сжатию: Поскольку газ впрыскивается с высокой скоростью в течение короткого времени, поверхностный компрессор может быть меньше и работать при более низком общем потреблении энергии по сравнению с системой непрерывного подъема для той же скважины.
• Лучшая адаптация к изменяющимся условиям: Сроки и объем каждого газового импульса могут быть запрограммированы на реагирование на изменения давления в резервуаре, перерезание воды или условия трубки.

Ограничения и недостатки

• Нестабильное производство и включение: Циклическая природа приводит к переменным скоростям потока и давлениям на поверхности, что может вызвать трудности обработки, требует больших разделителей и увеличивает операционную сложность.
• Более сложные элементы управления: Сроки, переключатели давления и поверхностные клапаны требуют настройки и обслуживания. Неисправности могут привести к потере газа или неполному подъему жидкости.
• Увеличение ношения и слезы: Быстрое открытие и закрытие клапанов, наряду с цикликой давления, может привести к более частым отказам клапанов подъема газа в скважине, особенно в высокочастотных циклах.
• Низкая общая эффективность: Фаза накопления приводит к более высокой гидростатической нагрузке в начале каждого цикла, что приводит к более высоким пиковым давлениям и потенциалу для газовых помех в резервуаре.
• Не подходит для высокочастотных скважин: Перемежающийся подъем обычно ограничивается скважинами, производящими менее нескольких сотен баррелей жидкости в день; для более высоких ставок непрерывный подъем более эффективен.

Типичные применения

Периодический подъем газа обычно применяется в стриптиз-колодцах, зрелых месторождениях с пониженным давлением пласта и скважинах с высокой ГОР-жидкостью, где непрерывный впрыск приведет к чрезмерной циркуляции газа. Он также используется в отдаленных наземных местах, где ограничена пропускная способность сжатия и сохранение газа имеет решающее значение. Многие месторождения в Пермском бассейне, регионе Скалистых гор и частях Западной Африки полагаются на прерывистый подъем для маргинальных скважин.

Сравнительный анализ: непрерывный и прерывистый подъём газа

Производственная эффективность и стабильность потока

Непрерывный подъем газа обычно обеспечивает более высокую объемную эффективность для скважин с достаточным давлением резервуара. Устойчивый поток минимизирует проскальзывание между газом и жидкостью, что приводит к более эффективному подъему на единицу впрыскиваемого газа. Перемежающийся подъем, с другой стороны, включает период накопления жидкости, когда не происходит (мертвое время), снижая общую усредненную по времени скорость производства. Однако для скважин с низким давлением способность поднимать жидкие слизи без непрерывной рециркуляции газа может фактически увеличить конечную извлечение, предотвращая откат жидкости и позволяя более глубокое протягивание во время фазы перемещения. Стабильность потока заметно отличается: непрерывный подъем дает плавный, предсказуемый поток, в то время как прерывистый подъем производит сильное заторможенность и колебания давления, которые должны управляться через конструкцию поверхностного объекта.

Операционные затраты и энергоэффективность

На баррельной основе прерывистый газовый подъемник обычно потребляет меньше энергии, поскольку газ впрыскивается только во время фазы подъема. Однако повышенная сложность механизмов управления, более высокое обслуживание запорных клапанов и необходимость в более крупных сепараторах для обработки засорения могут компенсировать эту экономию. Непрерывный подъем требует постоянной мощности сжатия, что может быть основным эксплуатационным расходом, особенно когда объемы впрыска газа высоки. В полях с обильным попутным газом непрерывный подъем может быть экономически привлекательным, потому что сжатый газ легко доступен; в полях, где газ должен быть куплен или сжигание ограничено, прерывистый подъем предлагает явные преимущества по стоимости. Детальная экономическая модель, учитывая цену газа, эффективность сжатия, производительность скважины и время простоя, должна направлять выбор.

Давление в водохранилище и пригодность

Parameter	Continuous Gas Lift	Intermittent Gas Lift
Reservoir pressure	Moderate to high (above 500 psi typically)	Low to moderate (below 500 psi)
Liquid production rate	Higher (200+ bpd)	Lower (up to 200 bpd)
Water cut	Tolerates moderate water cut	Handles high water cut effectively
GOR	Low to moderate	Moderate to high

Оборудование и обслуживание

Системы непрерывного подъема газа проще механически, с меньшим количеством активаций забойного клапана в день. Это приводит к более длительному сроку службы клапана и более низким затратам на вмешательство. Основной задачей технического обслуживания является предотвращение и удаление отложений (масштабных, восковых, асфальтенов), которые могут накапливаться вокруг клапана непрерывного впрыска. Прерывистые системы испытывают более частый цикл клапана (от десятков до сотен раз в день), что ускоряет износ клапанных сидений и пружин. Кроме того, поверхностное оборудование, такое как клапан с механическим управлением и таймер, требует регулярной калибровки. В высокочастотном прерывистом подъеме риск утечки газа через изношенные клапаны увеличивается, снижая эффективность системы. Расходы на техническое обслуживание для прерывистого подъема могут быть на 20-30% выше, чем для непрерывного подъема во многих случаях.

Критерии выбора и рамки принятия решений

Выбор между непрерывным и прерывистым подъемом газа должен основываться на систематической оценке следующих факторов:

1. Давление в водохранилище и производительность прилива: Используйте модель узлового анализа, чтобы определить, может ли скважина выдерживать стабильный поток при непрерывном впрыске. Если доступное давление впрыска не может создать достаточную просадку, может потребоваться прерывистая подъемная сила.
2. Индекс производительности (PI): Колодцы с низким PI (скажем, менее 0,5 ббл/д/пси) часто получают выгоду от прерывистого подъема, потому что фаза накопления позволяет более высокому жидкому слизню образовываться перед подъемом.
3. Доступность и стоимость газа: Если газ дешевый или сжигание ограничено, непрерывный подъем может быть экономичным даже при высоком потреблении.
4. Ограничения на поверхностную установку: Зависание от прерывистого подъемника может перегружать пропускную способность сепаратора или вызывать нарушения в обработке нисходящего потока. Если объекты не могут вместить затор, предпочтительнее непрерывный подъем.
5. Одни операторы предпочитают простоту непрерывного подъема и простоту дистанционного мониторинга; другие принимают сложность прерывистого подъема для лучшей гибкости и снижения счетов за газ.
6. Хорошая глубина и отклонение:] В сильно отклоненных или горизонтальных скважинах прерывистый подъем может быть менее эффективным, поскольку запас жидкости во время фазы накопления выше; непрерывный подъем часто работает лучше.

Продвинутые соображения и оптимизация

Газовый лифт Valve Design и установка глубины

В непрерывном подъеме наиболее глубокая возможная точка впрыска обеспечивает наибольшую просадку. Клапан должен быть размером для подачи необходимого объема газа при рабочем давлении впрыска. Использование нескольких клапанов отверстия или инжекторов вентури может улучшить распределение газа. В прерывистом подъеме конструкция клапана имеет решающее значение: клапаны с пилотным управлением с фиксированным или переменным отверстием контролируют скорость впрыска во время импульса. Глубина установки для прерывистого подъема обычно ниже, чем для непрерывного подъема, чтобы обеспечить эффективное накопление объема. Современные клапаны газового подъема включают чувствительные к давлению диафрагмы и компенсация температуры для повышения надежности.

Интеграция с Downhole Monitoring

Достижения в датчиках давления и температуры скважины значительно улучшили оптимизацию подъема газов. В непрерывном подъеме данные давления в скважине в реальном времени могут использоваться для автоматической регулировки давления открытия клапана подъема газа или скорости впрыска поверхности. Для прерывистого подъема датчики могут обнаруживать повышение уровня жидкости и запускать впрыск газа более точно, чем простые таймеры, устраняя ненужное использование газа и уменьшая мертвое время. Комбинация постоянных датчиков скважины и контроллеры клапана подъема газа позволяет адаптировать стратегии управления, которые повышают общую эффективность до 15%.

Гибридные подходы

Некоторые скважины выигрывают от гибридной системы, которая работает в непрерывном режиме, когда давление в резервуаре достаточно, и переключается в прерывистый режим, когда давление снижается. Это может быть достигнуто с помощью комбинации фиксированного клапана непрерывного впрыска и поверхностного регулируемого прерывистого клапана. Расширенные завершения теперь включают в себя клапаны управления интервалом подъема газа , которые могут дистанционно управляться для изменения точек и режимов впрыска без вытягивания трубки. Гибридные системы предлагают лучшее из обоих миров, но увеличивают капитальные затраты и сложность управления.

Экономическое моделирование выбора газового лифта

Комплексный экономический анализ должен учитывать капитальные затраты (сжатие, трубы, клапаны, контроллеры), эксплуатационные расходы (потребление газа, мощность, техническое обслуживание) и доходы от производства в течение срока службы скважины. Модель дисконтированного денежного потока (DCF) с анализом чувствительности к цене на газ, цене на нефть, сокращению воды и частоте отказов обеспечивает рациональную основу для выбора. Для многих маргинальных скважин прерывистый подъем газа обеспечивает более низкие первоначальные инвестиции и более быструю окупаемость, в то время как непрерывный подъем может дать более высокую чистую приведенную стоимость для более сильных производителей. Операторы часто используют инструменты электронных таблиц или программное обеспечение, такое как PETEX GASLIFT или Weatherford Gas Lift Design для сравнения сценариев.

Заключение

Непрерывные и прерывистые методы подъема газа имеют различные эксплуатационные характеристики, преимущества и ограничения. Непрерывный подъем газа обеспечивает стабильное производство, простую эксплуатацию и эффективную подъем в скважинах с достаточным потреблением газа и ограниченной гибкостью в условиях снижения. Прерывистый подъем газа обеспечивает адаптивность, более низкое использование газа и способность поднимать скважины с низким давлением скважины, но вводит операционную сложность, вялость и более высокие требования к техническому обслуживанию. Оптимальный выбор зависит от тщательного анализа давления пласта, производительности притока, доступности газа, поверхностных объектов и экономических ограничений. По мере того, как отрасль движется к цифровизации и интеллектуальным завершениям, линия между двумя режимами может размываться, с большим количеством скважин, принимающих адаптивные стратегии, которые сочетают сильные стороны каждого. В конечном счете, целостный, основанный на данных подход даст наиболее экономически эффективное и максимальное решение для каждой уникальной скважины.